中国团队无创血糖检测取得重大突破: 从力学到医工的华丽转身

知社 知社学术圈 2017-12-22

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“利用类皮肤柔性器件建立的无创血糖测量医学方法,是医疗级无创血糖监测发展的里程碑事件,对全球数以亿计的糖尿病患者具有极其重要的现实意义”;文末附有对作者的知社专访。


糖尿病已经成为威胁现代人类健康和生命的重大慢性疾病。2015年全球共有超过4亿糖尿病患者,而中国糖尿病患者人数更超过1亿。通过传统的“扎手指”取血测量血糖的方法具有疼痛感,影响糖尿病病人的生活质量和自我监测长期依从性,而现有的无创连续血糖监测方法也无法直接测量血液中的葡萄糖,在血糖测量的准确性、病人使用的便利性以及完全无创性等关键问题上仍未突破。因此,总部设于纽约的Juvenile糖尿病研究基金会(JDRF)研究主任Daniel Finan博士最近在接受记者采访的时候称,医学界急需准确、无创、隐形且便宜的血糖测量仪:


what the community really needs is a glucose tester that’s cheap, accurate, non-invasive and inconspicuous.


2017年12月20日,清华大学航天航空学院、柔性电子技术研究中心冯雪教授课题组在Science Advances上发表了题为Skin-like biosensor system via electrochemical channels for noninvasive blood glucose monitoring的研究论文,报道《用于无创血糖监测的电化学双通道类皮肤生物传感系统》。 该成果基于类皮肤柔性传感技术建立了新的无创血糖测量医学方法,在人体皮肤表面实现了医学意义上的无创血糖测量并具有医疗级精度,为解决无创血糖动态连续监测提供了一条新途径,对全球数以亿计的糖尿病患者的治疗与慢病管理具有重要的社会意义。



论文一经发表,立刻引起国内外广泛关注。12月21日,IEEE的旗舰出版物IEEE Spectrum对该工作给予高度评价,称该系统高度精确且无创:


the system proved highly accurate, as gauged against finger sticks or blood drawn through an arm vein at multiple time points. And it did so without any signs of irritation, pain or inflammation at the skin surface—unlike some other non-invasive glucose monitoring systems that have been tried.


西班牙先锋报、美国著名科技博客Gizmodo等国际媒体也对该成果进行了深度报道。中国科学院院士黄维教授在接受知社采访时也对这一工作高度赞赏:


冯雪教授等创造性地设计并制作了一种新型的智能电子皮肤,创新性地将柔性电子技术与无针连续血糖监测技术进行了结合,同时实现了无痛、方便、快捷的血糖测试。该项发明通过纸电池供电的柔性电极将附近血管的葡萄糖输送富集到皮肤表面,并实施精准检测。此工作展示了智能柔性电子技术在医疗检测领域可为居民健康提供更广泛的服务。


在这一工作中,冯雪课题组发展了基于力学-化学耦合原理的电化学双通道无创血糖测量方法,利用可以与人体自然共型贴附的柔性电子器件,对皮肤表面施加不会引起皮肤不良反应的电场,通过离子导入的方式改变组织液渗透压,调控血液与组织液渗透和重吸收平衡关系,驱使血管中的葡萄糖按照设计路径主动、定向地渗流到皮肤表面,继而通过只有3.8微米厚的超薄柔性生物传感器件进行高精度测量。


基于电化学双通道的无创血糖测量方法示意图和实验图


为了实现皮肤表面的微量葡萄糖精准测量,冯雪课题组结合多年的可延展柔性电子器件研究经验,基于力学原理在1.2微米厚的薄膜上制备了具有四层功能层的类皮肤生物传感器。通过制备器件表面微结构实现了纳米级厚度的电子介体电化学沉积,利用基于液体表面张力和蒸发毛细力的仿生液滴转印方法,将多层超薄生物传感器从制备基底上无损地剥离下来,实现整体厚度只有3.8微米的类皮肤柔性生物传感器的制备。该传感器具有130.4μA/mM的葡萄糖测量灵敏度和对葡萄糖的高度选择性,重复测量误差<1%。

类皮肤生物传感器及结构示意图


与中国人民解放军空军总医院合作开展的临床实验结果表明,基于该电化学双通道无创测量原理与类皮肤生物传感器的无创血糖测量系统,其对人体血糖浓度测量的结果与血糖仪及金标准静脉血血糖浓度测量结果的相关度达到0.9以上,具有医疗级监测和诊断的巨大潜力。


美国工程院院士、中国科学院外籍院士、欧洲科学院外籍院士黄永刚教授在接受知社采访时介绍说:冯雪课题组发表在Science Advances的论文,开拓性发展了类皮肤柔性器件的设计与制备方法,利用类皮肤柔性器件建立的无创血糖测量医学方法,是医疗级无创血糖监测发展的里程碑事件,对全球数以亿计的糖尿病患者具有极其重要的现实意义。另一方面,这一成果是力学、材料、信息、医学等不同领域深度交叉融合产生的,充分体现了学科交叉的巨大效能及其对前沿创新研究的牵引作用。


此外,冯雪课题组关于超薄柔性类皮肤生物传感器设计、制备和测试方法的研究成果在微电子国际顶级会议IEDM 2017上发表并做邀请报告。IEDM(International Electron Devices Meeting,IEEE国际电子器件会议),在国际微电子领域具有权威的学术地位和广泛的影响力。该会议主要报道国际微电子器件领域的最新研究进展,是著名高校、研发机构和行业领军企业报告其最新研究成果和技术突破的主要平台。


论文发表后,知社连线采访了通讯作者冯雪教授。


知社:听说您是学固体力学出身的,如今做柔性电子器件用于医疗,跨度很大。您是如何做到的?固体力学的训练对你的研究有何帮助? 


冯:柔性电子器件是一个新兴的多学科交叉领域,里面涉及力学、材料、化学、电子以及信息等多个学科。从个人角度而言,我觉得首先做科研要有开放的心态以及广阔的眼界,能够与不同学科的科研工作者沟通,听懂不同学科的语言,了解在不同领域的难点与痛点,多思考运用自身学科可以如何解决这些问题。


客观上来看,固体力学和面向医疗的柔性电子器件看似跨度很大,但实际上有很深入紧密的联系。无机柔性电子,尤其是可延展电子器件的开创与力学很有渊源。力学分析对无机可延展柔性电子的结构设计和关键制备方法起到了开创性的指导作用。无机电子材料,包括金属、半导体等对应力应变非常敏感,如何设计功能单元、互联导线结构使得器件整体在柔性大变形环境中电子材料不发生破坏且保持优良性能是摆在柔性电子器件面前首当其冲的问题。从结构设计、器件制备到器件可靠性测试,柔性电子器件的各个阶段都需要力学分析。


当然仅仅依靠力学分析,不能完全解决柔性电子应用于医疗领域的各种问题。要将柔性电子领域向前推动,我们需要医学、信息、材料、化学、电子等多个学科的共同努力,医学提供应用场景与性能指标,材料、化学提供新型电子材料和新型界面,力学提出革新性的结构设计与可靠性保障,电子提供从微结构到系统集成的制备方法,信息提供通讯技术与数据挖掘。如此,多学科深入交叉,密切合作,快速迭代,才能最终形成一个真正能改变人们生活的成熟产业。


固体力学是一门较为基础的学科,具有广泛的工程应用背景,这影响和决定了我的眼界与思维不会囿于一隅,可以很容易开展跨学科研究。


知社:柔性医疗电子器件既有丰富的科学问题、又有广阔的应用前景,你是如何平衡这两者之间的关系? 对未来发展有什么样的设想和布局?


冯:柔性医疗电子器件研究是一项面向应用的研究,因此基础科学与应用研究之间具有密切的联系。基础科学既解决应用问题,同时也受其驱动。应用研究既依赖于基础研究的进步也检验并真正释放基础研究的实际社会效应与价值。这两者之间具有天然的良性耦合,使得它们必然密不可分。对我而言,两者其实是一个有机的整体,互为增益,我都一样重视。在我的工作中,一方面在实验室开展基础研究,另一方面也与医学领域保持密切合作。


关于未来,柔性电子的发展空间和潜力十足。它既有改变人们生活、提升生命质量的能力与愿景,也还存在较多瓶颈与空白有待我们突破与填充。对于布局,我认为从柔性电子整个领域的发展去考虑,它需要深入的基础研究来解决技术上的关键问题,也需要真正解决人类痛点问题的应用研究与研究成果转化,并逐步搭建起良好的生态环境,将基础研究、应用转化以及其他环节耦合在一起,形成良性发展的生态圈。从实际操作而言,基于柔性电子多学科交叉的特点,它急需整合各学科资源;基于它基础与应用并重的性质,它急需将科研界与产业界打通,从而使柔性电子领域进入高速发展时代。


冯雪教授


清华大学航院、柔性电子技术研究中心博士生陈毅豪为文章第一作者,冯雪教授是通讯作者。该研究工作得到了科技部973计划项目、国家自然科学基金项目的资助。


论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/3/12/e1701629.full

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